Cvičení 9 - Monitory. monitor m; var proměnné... procedure p; begin... end; begin inicializace; end;

Transkript

1 Cvičení 9 - Monitory na rozdíl od semaforů je monitor jazyková konstrukce monitor = Pascalský blok podobný proceduře nebo fci uvnitř monitoru jsou definovány proměnné, procedury a fce proměnné monitoru nejsou viditelné zvenčí, jsou dostupné pouze procedurám a fcím monitoru procedury a fce jsou viditelné a volatelné zvenčí (vně monitoru) v BACI nemohou být monitory vnořené, v monitoru nelze definovat fci monitor m; var proměnné... procedure p;... inicializace; kód mezi a end se spustí před spuštěním hlavního programu používá se pro inicializaci proměnných monitoru monitory se používají pro vzájemné vyloučení a synchronizaci v jednu chvíli může v monitoru běžet pouze jedna procedura nebo fce výhoda - strukturovaný popis, kód zajišťující vzájemné vyloučení není rozptýlen kritická sekce programu se přesune do monitoru Úloha 4 (ošetření KS pomocí monitoru) Program demonstrující časový souběh ošetřete pomocí monitoru. proměnná x bude proměnnou monitoru vytvoříme procedury monitoru "nastav", "zvětši" a "prozraď" - nastaví hodnotu x, zvětší x o 1, vrátí hodnotu x monitor chápeme jako objekt, procedury jako jeho metody

2 Řešení: // demonstrace monitoru monitor m { int x; void setx(int val) { x = val; int getx() { return x; void incx() { x++; void a() { int i; for (i=0; i<50; i++) incx(); int main() { setx(0); co { a(); a(); cout << "x=" << getx() << endl;

3 synchronizace pouze vzájemné vyloučení - nestačí pro synchronizaci (např. nevyřešili bychom problém producent / konzument) pro synchronizaci v monitoru se používají podmínky (condition variables) mohou být definovány pouze v monitoru, neobsahují hodnotu nad podmínkami definovány 2 operace - wait a signal - v BACI procedury: PROCEDURE WAITC(cond : CONDITION); WAITC zablokuje proces v monitoru; pokud je některý proces připraven vstoupit do monitoru, bude mu to dovoleno PROCEDURE SIGNALC(cond : CONDITION); pokud existuje jeden nebo více procesů spících nad podmínkou, jeden vzbudí pokud nad podmínkou nespí žádný proces, nedělá nic (na rozdíl od operace V(sem) nad semaforem, která si "zapamatuje" že byla zavolána) Hoarova definice monitoru - v BACI spící je vzbuzen ihned, proto je proces volající SIGNALC pozastaven Co pokusit se řešit mutexy pomocí monitorů? monitor uuu; var c: condition; l: boolean:=false; procedure mylock; if l then waitc(c); l:=true; procedure myunlock; l:=false; signalc(c);

4 Implementace spravedlivých semaforů Fce empty oproti tradičním monitorům v BACI navíc fce empty(cond: condition) vrací true pokud nad podmínkou cond nikdo nespí jinak vrací false Prioritní čekání PROCEDURE WAITC(cond: CONDITION); WAITC zablokuje proces v monitoru; pokud je některý proces připraven vstoupit do monitoru, bude mu to dovoleno PROCEDURE WAITC(cond: CONDITION; prio: INTEGER); jako WAITC(cond), ale procesu je přiřazena priorita pro vzbuzení (tj. pořadí, ve kterém budou procesy vzbuzeny); defaultní priorita je 10 nižší číslo = vyšší priorita většina reálných implementací monitorů (např. v Javě, Delphi apod.) nemá prioritní WAIT prioritní schéma lze použít pro implementaci FIFO pro buzení čekajících procesů zavedeme proměnnou monitoru s aktuální prioritou prio := prio+1; WAITC(cond, prio); PROCEDURE SIGNALC(cond: CONDITION); pokud existuje jeden nebo více procesů spících nad podmínkou, vzbudí proces s nejnižším číslem "prio" (proces s nejvyšší prioritou) pokud nad podmínkou nespí žádný proces, nedělá nic (na rozdíl od operace V(sem) nad semaforem, která si "zapamatuje" že byla zavolána) v BACI spící je vzbuzen ihned - proto je proces volající SIGNALC pozastaven => procesy volající SIGNALC to provádějí typicky jako svou poslední instrukci

5 Úloha 1 (večeřící filosofové) 5 filosofů sedí kolem kulatého stolu každý filosof před sebou talíř se špagetami mezi každými dvěma talíři je vidlička špagety jsou tak klouzavé, že filosof potřebuje 2 vidličky, aby mohl jíst program by měl vypisovat: "Filosof #N ji" pozor - syntaxe BACI: místo konstant se nedají používat konstantní výrazy problém s fcí modulo: (-1 mod 3) je -1 monitor večeřící_filosofové; const N=5; var f: array [0.. N-1] of integer; { vidličky a: array [0.. N-1] of condition; { vidličky jsou k dispozici i: integer; procedure chci_jíst(i: integer) if f[i] < 2 then a[i].wait; f[(i-1) mod N] -= 1; f[(i+1) mod N] -= 1; procedure mám_dost(i: integer) f[(i-1) mod N] += 1; f[(i+1) mod N] += 1; if f[(i-1) mod N] = 2 then a[(i-1) mod N].signal; if f[(i+1) mod N] = 2 then a[(i+1) mod N].signal for i:=0 to 4 do f[i] := 2;

6 Úloha 2 (implementace semaforů pomocí monitorů) Na přednášce jsme si řekli, že stejnou vyjadřovací sílu semaforů a monitorů můžeme ukázat tím, že budeme semafory implementovat pomocí monitorů a naopak. Na přednášce bylo uvedeno řešení semaforů pomocí monitorů. Jak bychom implementovali monitory pomocí semaforů? operace nad semafory jsou definovány takto: operace P(sem): pokud sem>0, sníží sem o 1 jinak pozastaví proces, který chtěl provést operaci P. operace V(sem): pokud je nad semaforem sem zablokovaný jeden nebo více procesů, vzbudí jeden z procesů; proces pro vzbuzení je vybrán náhodně jinak zvýší sem o 1 implementace bude obsahovat následující procedury monitoru: monp - provede operaci P nad jedním semaforem implementovaným v monitoru monv - provede operaci V Řešení: monitor monsem; var sem: integer; blocked: condition; procedure monp; if sem > 0 then sem := sem - 1 else waitc(blocked)

7 procedure monv; if not empty(blocked) then signalc(blocked) else sem := sem + 1 procedure monini(val: integer); sem := val { inicializace sem:=1 Rozšíření 2-1 (implementace bez fce empty) jak byste implementovali semafory pomocí monitorů, pokud by nebyla fce empty()? monitor monsem2; var sem: integer; blocked: condition; procedure monp; if sem=0 then waitc(con); sem:=sem-1; procedure monv; signalc(con); sem:=sem+1

8 { inicializace sem:=1 Rozšíření 2-2 (implementace množiny semaforů) dovolte uživateli označit semafor const hodnotou v rozsahu 1 až 3 (tj. číslo bude sloužit jako "handle" pro přístup k semaforu, resp. ve vaší implementaci bude indexem pro přístup k odpovídajícím proměnným) * procedura implementující - operaci P bude monp(s: integer) - operaci V bude monv(s: integer) - inicializaci semaforu monini(s: integer, val: integer) Poznámka: Řešení není maximálně paralelní, protože vzájemné vyloučení při operacích P a V se odehrává i v případě, že se operace odehrávají nad různými semafory. V reálných programovacích jazycích bývají monitory součástí konstrukce typu objekt - s každým objektem je sdružen monitor (v BACI by bylo podobné chování možné emulovat pomocí samostatného monitoru pro každý semafor). Úloha 3 (spravedlivé semafory pomocí monitorů) Semafor v BACI je implementován podle Dijkstrovy definice, tj. procesy spící nad semaforem jsou buzeny v náhodném pořadí. Pro nekončící procesy však v sobě náhodné buzení skrývá nebezpečí, že dojde k vyhladovění některého procesu. Ve většině reálných OS se proto používají tzv. spravedlivé semafory, kde jsou procesy buzeny ve FIFO pořadí. pomocí prioritního čekání rozšířit na "spravedlivé" semafory. procedury FIFO_P(sem: integer), FIFO_V(sem: integer).

9 ověřit, že je funkční a pracuje jako FIFO Úloha 4 (producent/konzument pomocí monitorů) Implementujte řešení zjednodušeného problému producent/konzument pomocí monitoru. Velikost vyrovbávací paměti bude pouze jeden znak nebo integer. program simple_prod_cons; monitor m; var e, f: condition; isempty: boolean; buffer: integer; procedure insert(x: integer); if not isempty then waitc(e); buffer:=x; isempty:=false; signalc(f) procedure remove(var x: integer); if isempty then waitc(f); x:=buffer; isempty:=true; signalc(e); procedure Producer; var i: integer; for i:=1 to 99 do

10 insert(i); procedure Consumer; var x: integer; repeat remove(x); write(x, ', '); until x=99; writeln co Producer; Consumer coend end.